Modelowanie komputerowe w badaniach nad lekiem
 projektowanie i poszukiwanie czÄ…stki aktywnej,
ocena właściwości fizykochemicznych oraz aktywności
biologicznej
Sebastian Polak, Barbara Wiśniowska
Pracownia Farmakoepidemiologii i Farmakoekonomiki Katedry Toksykologii CM UJ w Krakowie
Adres do korespondencji: Sebastian Polak, Pracownia Farmakoepidemiologii i Farmakoekonomiki, Katedra Toksykologii,
Wydział Farmaceutyczny Collegium Medicum, Uniwersytet Jagielloński, ul. Medyczna 9, 30-688 Kraków
również dział farmacji zajmujący się badaniem i roz-
Computer modeling in drug investigation  projecting and reserch for active wojem leków wkracza nieodwracalnie na ścieżkę cy-
molecule, physico-chemical properties and biological activity evaluation frowÄ….
· Pharmaceutical industry is one of the highly investing in research and W serii kilku artykułów, które chcielibyÅ›my PaÅ„-
development branch of industry. Such a situation is caused by both  their stwu zaprezentować, przedstawimy najważniejsze
specificity (science depending) and world market competition. Being forced technologie informatyczne stosowane w trakcie prac
to fulfil growing expectations from all sides  patients who needs more nad nowymi substancjami chemicznymi o potencjal-
effective and safe therapies, insurance companies and health care systems nym znaczeniu terapeutycznym. Nie opisując dokład-
as they expect cost-effective drugs, pharmaceutical scientists are constantly nie długotrwałego, pracochłonnego i w swoim opisie
looking for the new research methods and techniques. Fast development of wymagającego dużej staranności procesu badań nad
the chemical and mathematical modelling techniques, effectively supported lekiem, postaramy się przedstawić i odnieść do tych
by the dramatic increase of the computer computational power, together jego elementów, w których techniki komputerowe sta-
with relatively low costs of implementation results in their wide usage in ły się narzędziami co najmniej równoważnymi, a nie-
pharmaceutical science and industry. It begins at the level of new chemicals kiedy bardziej znaczącymi niż podejście tradycyjne.
search and development, through activity, toxicity and safety assessment to Całość cyklu jest dopełnieniem szkolenia, które zosta-
the clinical studies modelling. Virtual pharmacy has become a fact. ło opublikowane w systemie szkoleń podyplomowych
Keywords: new research methods, in silico, computational pharmacy dla farmaceutów e-duk@cja (http://www.e-dukacja.pl)
i wychodzi poza jego zakres.
© Farm Pol, 2009, 65(3): 214-223 PrzemysÅ‚ farmaceutyczny jest jednÄ… z najinten-
sywniej inwestujących w naukę i badania gałęzi
gospodarki. Ocenia się, iż piątą część wśród firm prze-
etody poszukiwania nowych substancji o po- znaczających najwięcej na rozwój stanowią firmy far-
Mtencjalnym działaniu terapeutycznym i meto- maceutyczne (ok. 15% zysków), które zdystansowały
dyka badań nowych produktów leczniczych przeszły przemysł technologiczny oraz oprogramowania (ok.
w ciągu ostatnich dziesięcioleci ewolucję, podobną 10% zysków) (rycina 1).
do wręcz rewolucyjnych zmian sposobów komunika- Wprowadzenie na rynek nowego leku, który może
cji, jaką możemy obserwować na co dzień, używając trafić na półki apteczne, to kosztowny, wymagający
telefonów komórkowych czy też korzystając z moż- wielu lat pracy proces. Ocena kosztów nie jest prosta,
liwości oferowanych przez technologie internetowe. a końcowy wynik w dużej mierze zależy od metody-
Praktyczne wykorzystanie technik informatycznych ki przyjętej przez przeprowadzającego daną anali-
 podobnie jak w nowoczesnych systemach wymia- zę badacza i przede wszystkim informacji, którymi
ny informacji  pozwoliło poszerzyć zakres poszu- dysponuje, a które nigdy nie są kompletne, choćby
kiwań i zmienić ich charakter, i choć zmiany w obu ze względu na konsekwentnie prowadzoną politykę
wymienionych dziedzinach zachodzÄ… z innÄ… dynami- ochrony danych finansowych firm farmaceutycznych
ką, m.in. ze względu na silne przyzwyczajenia i kon- (rycina 2). Bez względu jednak na uzyskaną kwo-
serwatyzm środowisk naukowych, to wydaje się, że tę końcową, wahającą się w granicach 300 900 mln
podobnie jak w przypadku świata telekomunikacji, dolarów, należy ją ocenić jako niebagatelną nawet
214 Tom 65 · nr 3 · 2009
I N F O R M AT Y K A W FA R M AC J I
50000
45000
2002
40000 2003
2004
35000
2005
30000
2006
25000
20000
15000
10000
5000
0
Rycina 1. Porównanie wydatków na badania i rozwój (R&D) dla różnych gałęzi przemysłu [7]
dla najzamożniejszych graczy rynku leków i to wraz
60
z założeniem, iż jest ona rozłożona na cały 15 20-let-
ni okres badań nad lekiem.
50
Koszty te nie rozkładają się równomiernie na po-
szczególne etapy badań potencjalnej substancji lecz-
40
niczej i wdrażania leku, jako że większość pochłania
przygotowanie i przeprowadzenie całości procedu-
30
ry badań klinicznych, zgodnie z obowiązującymi 
coraz surowszymi zarówno pod kątem naukowym,
20
jak i etycznym  procedurami i zasadami (rycina 3).
Powyższe stwierdzenia są jednak prawdziwe tylko
10
wtedy, gdy oceniany koszt jest przeliczany na jednÄ…
cząstkę aktywną. Należy pamiętać, że do fazy badań
0
klinicznych dociera jedynie niewielki odsetek testowa-
1982 1985 1990 1995 2000 2003
nych na wstępnym etapie molekuł, a jeszcze mniej jest
All NCEs First-in-class NCEs
wprowadzanych do obrotu (ocenia się, że w Stanach
Global NCEs Orphan NCEs
Zjednoczonych dziewięć z dziesięciu substancji pod-
Biotech NCEs
dawanych badaniom klinicznym nie jest wdrażane na
rynek), tak więc jeśli kalkulacja zostanie wykonana zo- Rycina 2. Liczba nowych substancji leczniczych zarejestrowanych
stanie pod kÄ…tem czasu przeznaczanego na poszcze- w latach 1982 2003 [1]
gólne etapy, koszt poszczególnych części określanych
jako przedkliniczne i kliniczne wyrównuje się. Jest to sytuacja, której przyczyn należy upatrywać
Powyższe informacje powinny zostać zestawio- m.in. w rosnących wymogach dotyczących bezpieczeń-
ne z wciąż malejącą liczbą rejestracji, rozumianych stwa prowadzenia badań klinicznych, ich kosztach oraz
jako wprowadzenie na rynek nowych czÄ…steczek, sytuacji wyczerpania klasycznych z
ródeł nowych sub-
a więc leków określanych jako innowacyjne (w prze- stancji oraz niezwykle kosztownych i długotrwałych
ciwieństwie do wciąż rosnącego rynku leków gene- badań związanych z makrocząsteczkami (m.in. białka 
rycznych) (rycina 4). Trend ten dotyczy również liczb np. insulina i jej pochodne, hormony, szczepionki itd.).
bezwzględnych, jednak jest szczególnie wyraz
nie wi- Najważniejszą, choć stosunkowo mało odkryw-
doczny w zestawieniu z wydatkami przeznaczanymi czą konkluzją wyciąganą z powyższych danych jest
przez firmy farmaceutyczne na badania nad nowymi konieczność redukcji kosztów oraz  jak widać na
lekami (tzw. R&D  Reaserch and Development). rycinie 5, w sposób bezpośredni przeliczanego na
Tom 65 · nr 3 · 2009 215
Przemysł
Przemysł
Przemysł
Przemysł
i obronny
chemiczny
Konstrukcje
Technologie
inżynieryjne
elektroniczny
komputerowe
komputerowe
Przemysł dóbr
motoryzacyjny
farmaceutyczny
Przemysł ogólny
konsumpcyjnych
Przemysł lotniczy
Oprogramowanie
i biotechnologiczny
wartości monetarne  czasu, stąd coraz częstsze się-
FAZA FAZA OCENA ganie po komputerowe metody wspomagania pro-
PRZEDKLINICZNA KLINICZNA AGENCJI LEKOWEJ
jektowania i wdrażania nowych leków. Modelowanie
i symulacje są wykorzystywane na każdym etapie
faza 1
projektowanie
badań nad lekiem, a kolejne artykuły obejmują opis
synteza
oczyszczanie
faza 2
wybranych kroków wraz z przykładami stosowanych
metod modelowania oraz realizujÄ…cymi je progra-
faza 3
mami.
faza badań i oceny
Kolejnym argumentem przemawiajÄ…cym za szerokÄ…
wskazania do leczenia i wciąż rosnącą gamą modeli realizowanych w warun-
testy
na zwierzętach
kach in silico, są względy humanitarno-etyczne wskazu-
ścieżka równoległa
krótkie
jące na konieczność uzyskania maksymalnej możliwej
długie
redukcji doświadczeń przeprowadzanych na zwierzę-
decyzja lokalna
tach oraz optymalizacja koniecznych badań prowadzo-
nych na ludziach (zdrowych ochotnikach oraz osobach
chorych, w warunkach klinicznych). Z pewnych przyczyn
nowa substancja nowy lek reakcja/odpowiedz

na pytania z oceny
ocena
ten pierwszy element  badania na zwierzętach  rodzi
spotkanie firma/agencja lekowa
silne i niekiedy skrajne emocje, od całkowitego zawie-
złożenie wniosku
komitet doradczy agencji lekowej rzenia wynikom uzyskiwanym na ich podstawie, aż po
całkowitą negację i krytykę. Temat ten stanowi zupełnie
Rycina 3. Etapy wdrażania leku osobne zagadnienie, które  mimo dość dużej, choć sezo-
nowej popularności  wymagałoby pełnego, rzetelnego
i obiektywnego opracowania, niemniej jednak w dal-
szych częściach naszej pracy będziemy się do niego od-
50 36
32 nosić, stąd krótki akapit poświęcony temu problemowi.
40
28
Warto przypomnieć, że ścisłe standardy badań nad
liczba NCE
24
koszty R&D lekiem, w tym obowiązek przeprowadzania doświad-
30
20
czeń na zwierzętach zostały wprowadzone w roku 1968
16
20
(amerykański Medicines Act), jako wynik tragedii zwią-
12
zanych ze stosowaniem talidomidu u ciężarnych ko-
8
10
biet. Jako lek uważany za bezpieczny, był on podawany
4
w przypadkach porannych mdłości i wymiotów. Niestety
0 0
niepożądanym efektem jego stosowania jest zaburzenie
rozwoju zawiązek kończyn górnych płodu. Wyniki stoso-
wanych obecnie testów na zwierzętach potrafią wska-
Rycina 4. Zmiana kosztów wdrożenia leku w skali lat w zestawieniu z liczbą zać na możliwość działania teratogennego badanych
nowych rejestracji [3]. związków chemicznych. Zwolennicy wykorzystywania
zwierząt laboratoryjnych w procesie badań nad lekiem
podają przykłady zagadnień, których dogłębna anali-
Koszty badań klinicznych [mln USD]
za  zgodnie z rosnącymi wymaganiami wdrażanymi
1400
przez organizacje zajmujÄ…ce siÄ™ nadzorem nad rynkiem
1318
1241
leków  musi znalez
ć się w składanym dossier rejestra-
lata 70.
1200
cyjnym, a których przeprowadzenie w innych warunkach
lata 80.
lata 90.
jest albo niemożliwe, albo co najmniej niezwykle trudne.
1000
obecnie bio
879
Kilka z nich to m.in. problem przenikania przez barierÄ™
obecnie farma 802
800 krew-mózg i penetrowanie ośrodkowego układu nerwo-
wego czy też analiza wchłaniania leków w przewodzie
626
615
600
pokarmowym. Jednocześnie jednak, mimo malejącej
466
439
liczby zwierząt poświęcanych w trakcie badań (w samej
400
336
318
Wielkiej Brytanii, w której centra badawcze mają wszyst-
214
kie największe firmy farmaceutyczne, ich liczba spadła
200
138
104
84
54 z ok. 6 milionów rocznie w latach 70 do ok. 2,5 miliona
0
na początku lat 2000), grono sceptyków ich powszech-
Przedkliniczne Kliniczne Całość
nego stosowania nie maleje. PozostawiajÄ…c na boku ar-
gumenty niemerytoryczne, wymieńmy najważniejsze,
Rycina 5. Zmiana kosztów wdrożenia leku w skali lat  porównanie kosztów które mają mocną podstawę merytoryczną, wśród nich
badań dla przemysły farmaceutycznego i biotechnologicznego [4] najważniejsze wydają się być dwa. Przede wszystkim
216 Tom 65 · nr 3 · 2009
I N F O R M AT Y K A W FA R M AC J I
gwałtowny rozwój metod alternatywnych obejmujących Tabela. Etapy badań klinicznych
badania przeprowadzane w warunkach:
Badania przedkliniczne (in vitro i na zwierzętach)
 in vitro, a obejmujÄ…cych badania z wykorzysta-
faza I  na niewielkiej grupie (20 80) zdrowych ochotników; ma na celu zbadanie bezpieczeństwa,
niem hodowli komórkowych czy kultur tkanko-
toksyczności, farmakokinetyki i farmakodynamiki terapii. W badaniach nad niektórymi lekami (np.
przeciwnowotworowymi czy anty-HIV) w tej fazie badań biorą udział pacjenci w zaawansowanym
wych; wzrost ich znaczenia jest ściśle powiązany
stadium choroby
z rozwojem metod oznaczeń substancji chemicz-
faza II  na większej grupie (20 300); ma na celu zbadanie klinicznej skuteczności terapii
nych w materiale biologicznym (wśród nich przede
wszystkim wysokosprawną chromatografię cie- faza III  randomizowane badania na dużej grupie (300 3000 lub więcej) pacjentów; ma na celu
pełną ocenę skuteczności nowej terapii
czowÄ… z detektorem masowym)
 in silico  zawierających w sobie całą gamę mode-
li, które zostaną szczegółowo opisane poniżej oraz
w kolejnych publikacjach
 in vivo  u ludzi i o ile nie są i nie będą one w sta-
nie całkowicie zastąpić pewnych elementów ba-
dań m.in. z przyczyn wymienionych powyżej o tyle
nowe techniki ich przeprowadzania (np. microdo-
sing) pozwalają drastycznie zredukować liczbę
zwierząt laboratoryjnych, bez zwiększenia ryzyka
zaangażowanych ochotników;
Drugi argument, choć wydaje się być dość oczy-
wisty, jest często niesłusznie bagatelizowany,
a podejmuje niemożliwe do usunięcia różnice między-
gatunkowe, utrudniające, a niekiedy uniemożliwia-
jące ekstrapolowanie wyników badań wykonanych
na zwierzętach bezpośrednio na ludzi. Pewnym wyj-
ściem jest wykorzystywanie tych gatunków, które
genetycznie najmniej różnią się od genomu ludzkie-
go (świnie, małpy), co jednak nie rozwiązuje tego pro-
blemu całkowicie. Być może i tutaj rozwój technik
biotechnologicznych pozwoli np. na humanizowanie
pewnych narządów u zwierząt i obserwowanie skut-
ków zastosowania substancji chemicznej w warun-
kach narządów ludzkich, niemniej jednak jest to wciąż
stosunkowo odległa przyszłość.
Całość tego typu działań określa się jako 3Rs (ang.
Replace, Reduce, Refine), a wśród nich coraz więk-
szÄ… rolÄ™ odgrywajÄ… techniki modelowania kompu-
terowego.
Projektowanie i poszukiwanie czÄ…steczki
aktywnej
Rycina 6. Jedna z zamodelowanych struktur receptora serotoninowego 5-HT2A
Początek pierwszego etapu poszukiwań nowej wraz ze związaną z nim cząsteczką ketanseryny [12]
cząsteczki, mogącej mieć zastosowanie w lecznictwie
nie jest prosty do określenia. Punktem wyjścia może
być zarówno choroba i dokładne poznanie mechani-
zmu patologii, jak i teoretyczna ocena już istniejących
struktur i empiryczne poszukiwanie zmodyfikowa-
nych cząstek. Nie należy również lekceważyć zna-
czenia  tak częstego w nauce  przypadku, choć
przyznać trzeba, iż jego rola maleje.
Wszystkie opisywane w artykule techniki zali-
czane są do narzędzi modelowania molekularnego.
Jego komponentami są między innymi grafika mo-
lekularna i zagadnienia zwiÄ…zane z realistycznÄ… wi-
zualizacją badanych cząstek, narzędzia z zakresu Rycina 7. Miejsce wiązania receptora serotoninowego 5-HT2A wraz ze związaną
chemii obliczeniowej, obszerne bazy danych, niekiedy z nim czÄ…steczkÄ… ketanseryny [12]
Tom 65 · nr 3 · 2009 217
O
OH
OH
S
NH3 O
NH3 O
OH
d1
d3
d2
O
NH3
N
OH
OH
farmakofor
NH3 O NH3 O
Rycina 8. Przykład farmakoforu [9]
skomplikowanych cząstek chemicznych czy w końcu jak ExPASy (Expert Protein Analysis System)  http: //
określanie właściwości fizyko-chemicznych na pod- www.expasy.org, TMPRED  http://www.ch.embnet.
stawie struktury (ang. QSAR  Quantitative Structu- org, czy też Protein Data Bank  http://www.pdb.org,
re-Activity Relationship). Jak łatwo sobie wyobrazić, niemniej jednak badacze zajmujący się tą problematy-
wszystkie wymienione metody wymagają dużych ką po pobraniu struktury bazowej mogą ją dowolnie,
mocy obliczeniowych, a niewątpliwy postęp w tej wirtualnie modyfikować oddając najbardziej możliwą
dziedzinie jest związany bezpośrednio z rewolucją strukturę statyczną, ale także modelując dynamikę
informatycznÄ…. tego niekiedy niezwykle skomplikowanego zwiÄ…zku.
Ze względu na zakres możliwych oddziaływań leku Dodatkową komplikacją i kolejnym krokiem może być
na organizm, często współwystępujących, klasyfikacje umieszczenie stworzonego modelu receptora w dyna-
pozwalające na zdefiniowanie mechanizmów działania micznym środowisku błony komórkowej w przypadku
muszą siłą rzeczy mieć charakter ogólny. Jedną z istnie- receptorów błonowych. Na podstawie kształtu i wła-
jących możliwości jest określenie ich jako receptorowe ściwości miejsc wiązania receptora planowana jest
oraz niereceptorowe. W pierwszym przypadku mo- struktura chemiczna potencjalnego leku oraz zestawia-
delowanie na ekranie monitora można rozpocząć od na wirtualnie z odtworzonym cyfrowo komputerowym
odtworzenia struktury przestrzennej receptora (ang. modelem receptora. Aby było to możliwe konieczne jest
receptor based design), co jest realizowane przy użyciu określenie i dokładne zdefiniowanie miejsca wiążącego,
specjalistycznych programów, pozwalających nie tylko a więc tego elementu struktury, który odpowiedzialny
zobrazować, ale także ocenić prawdopodobieństwo sta- jest za łączenie się z lekiem. Wśród stosowanych metod
bilności nawet bardzo dużych cząstek białkowych, jaki- najważniejsze są oparte na homologii czyli porównaniu
mi są receptory. Każdy model jest mniej ze znanymi strukturami miejsc wiążących.
lub bardziej udanym oddaniem rzeczy- Bardzo przydatnÄ… funkcjÄ… oferowanÄ… przez produ-
Przemysł farmaceutyczny wistości, a więc z samej swojej definicji centów podobnego oprogramowania są zaawanso-
jest jedną z najintensywniej niesie ze sobą pewien błąd jej odtwo- wane opcje wizualizacji, co ułatwia ocenę otrzymanej
inwestujących w naukę rzenia, toteż najlepszą możliwą sytuacją struktury, w tym miejsca wiążącego.
i badania gałęzi jest projektowanie na podstawie zna- Drugie możliwe podejście to wirtualna modyfika-
gospodarki. Ocenia się, nej struktury krystalograficznej biał- cja istniejących cząstek w poszukiwaniu pochodnych,
iż piątą część wśród firm ka receptorowego lub miejsca wiązania cechujących się korzystniejszym profilem farmakoki-
przeznaczających najwięcej z lekiem. Większość ze wspomnianych netyczno-farmakodynamicznym. Dzięki znajomości
na rozwój stanowią programów dodatkowo oferuje możli- struktury ligandów uproszczone zostaje poszukiwa-
firmy farmaceutyczne wość analizy prawdopodobieństwa łą- nie pochodnych oryginalnej cząsteczki lub struktur
(ok. 15% zysków), które czenia się receptora z badaną cząstką o podobnym mechanizmie działania, dokonywane
zdystansowały przemysł chemiczną, właśnie w miejscu recepto- tradycyjnie na drodze syntezy. Cząstki wykazujące ak-
technologiczny oraz rowym. Poznane sekwencje aminokwa- tywność w modelach komputerowych podlegają dal-
oprogramowania (ok. 10% sów są gromadzone oraz udostępniane szym badaniom, często już po syntezie chemicznej.
zysków). za pośrednictwem ogólnodostępnych Kolejny krok, a w zasadzie jego punkt końco-
i wyspecjalizowanych baz danych takich wy, jest podobny dla obu dróg, choć sposób jego
218 Tom 65 · nr 3 · 2009
I N F O R M AT Y K A W FA R M AC J I
osiągnięcia inny. W zależności od wybranej drogi lub
danych, którymi dysponuje się na początku procesu
poszukujemy miejsca wiążącego oraz konstrukcji wią-
zań farmakoforowych (pierwsze podejście) lub far-
makoforu, a więc wspólnej części badanych struktur,
w znaczeniu relacji przestrzennych atomów budują-
cych czÄ…steczkÄ™.
Wśród algorytmów wykorzystywanych w trakcie
poszukiwania farmakoforów znajdują się oprócz sto-
sunkowo prostych, zaawansowane matematycznie
metody oparte m.in. na inteligencji obliczeniowej czy
też algorytmy genetyczne, bazujące na odkryciach
dotyczÄ…cych biologicznego dziedziczenia cech.
Ocena właściwości fizykochemicznych
Jednym z obowiązkowych kroków w trakcie opra-
cowywania nowej, potencjalnej struktury chemicz-
nej jest określenie jej właściwości fizykochemicznych,
które warunkują losy badanej cząstki już po podaniu
w postaci leku. Podstawowe informacje obejmujÄ…
masę molową, rozpuszczalność (w różnych warun-
kach  rozpuszczalnik, pH, dodatek substancji zwięk-
szających rozpuszczalność np. kwasów żółciowych),
współczynnik podziału n-oktanol/woda (logP; logD),
stała dysocjacji (pKa), PSA (ang. polar surface area), Rycina 9. Struktura krystaliczna domeny wiążącej
liczba wiązań będących donorami (ang. HBD  Hydro- ligand (deoksykortykosteron) ludzkiego receptora
gen Bond Donor) czy też akceptorami atomów wo- mineralokortykoidowego [9]
doru (ang. HBA  Hydrogen Bond Acceptor). Na ich
podstawie można wyciągać wnioski zarówno na te- (http://vcclab.org/), to bezpłatny zestaw oprogramo-
mat aktywności biologicznej, jak i potencjalnego me- wania, umożliwiający określenie właściwości fizyko-
chanizmu wiÄ…zania z receptorem. SÄ… one wyznaczane chemicznych jedynie na podstawie podanej struktury
najczęściej na wczesnym etapie badań nad lekiem, (istnieje możliwość rysowania wzoru substancji on-
niemniej jednak liczba syntetyzowanych lub bada- line w specjalnie przygotowanym edytorze). Warto
nych wirtualnie cząstek praktycznie uniemożliwia wspomnieć, że wysoka jakość tego systemu, ocenia-
wykonywanie w warunkach laboratoryjnych dokład- na jako różnica między wartościami przewidzianymi
nych pomiarów dla każdej z nich, co jest powodem i uzyskanymi w warunkach laboratoryjnych, została
wykorzystywania metod opartych na technikach ob- osiągnięta między innymi dzięki wykorzystaniu me-
liczeniowych, które pozwalają przewidzieć wszystkie tod inteligencji obliczeniowej (w tym przypadku są
wymienione powyżej właściwości oraz wiele innych. to sztuczne sieci neuronowe), choć jednocześnie na-
Wśród programów wykorzystywanych w tym celu leży pamiętać, że oznaczenie laboratoryjne ma za-
można między innymi wymienić: wsze wyższą wartość niż ocena najlepszego nawet
 ACDLabs  komercyjny program kanadyjskiej firmy modelu.
ACD, posiadający swoją okrojoną darmową wersję Wszystkie podane wyżej przykłady deskryptorów
zawierającą kalkulator umożliwiający określenie fizyko-chemicznych nie oddają w pełni charakteru
wartości logP na podstawie struktury, cząsteczki, ze względu na brak lub niepełne wyko-
 Marvin  zestaw doskonałych programów zawie- rzystanie informacji o strukturze przestrzennej. Opra-
rający m.in. narzędzia umożliwiające określenie cowywane obecnie metody m.in. analiza właściwości
wartości logP, pKa i PSA; darmowy do zastosowań pól molekularnych (ang. CoMFA  Comparative Mole-
niekomercyjnych, cular Field Analysis) umożliwiają kwantyfikację infor-
 MMPro. macji opisujących strukturę trójwymiarową.
Te programy są to jedynie przykładami całej gamy
podobnych narzędzi. Na szczególną uwagę zarówno ze Określenie aktywności biologicznej
względu na jakość, jak i sposób wykorzystania mode-
li oraz prezentacji danych, zasługuje system sieciowy Dalszy etap, a więc poszukiwanie korelacji mię-
zbudowany przez doktora Igora Tetko. Jego wirtu- dzy strukturą chemiczną cząsteczek a ich właściwo-
alne laboratorium w całości dostępne w Internecie ściami biologicznymi jest określane jako QSAR lub
Tom 65 · nr 3 · 2009 219
IDENTYFIKACJA CELU
analiza istniejÄ…cych krystalografia, modelowanie
ligandów NMR homologiczne
struktura 3D kompleksu struktura 3D
QSAR, budowa farmakoforu
ligand-receptor receptora
FARMAKOFOR LUB MODEL typowanie
MIEJSCA WI
Å»
CEGO miejsca wiążącego
bazy fragmentów molekularne
przeszukiwanie baz danych
molekularnych bazy danych
generowanie ligandów
dokowanie
de novo
analiza i modyfikacje najlepszych
kandydatów MM, MD, FEP
QSAR
synteza, analiza
aktywności
badania biologiczne
Rycina 10. Schemat wykorzystania podstawowych metod komputerowych we wstępnych etapach projektowania leków [8]
QSPR. Przykładami programów komputerowych wy- wymaga doświadczenia i intuicji badacza. Genero-
korzystywanych do realizacji opisanych zadań są: wane olbrzymie ilości danych wymagają niezwykle
bezpłatne  BALLView, Ghemical i MMTK oraz komer- starannej analizy, ponieważ istnieje prawdopodobień-
cyjne  Gaussian, Cerius2, InsightII, Molsoft ICM, Py- stwo przeoczenia najlepszej możliwej konfiguracji.
MOL, VMD, GROMOS, Sirius, NOCH, Sybyl, MOE, Agile Rycina 10 podsumowuje schemat postępowania
Molekule, SPARTAN i Millsian. w trakcie wirtualnego poszukiwania nowych, obiecu-
Znając strukturę i charakterystykę zarówno miej- jących cząstek chemicznych o potencjalnej aktywności
sca wiązania, jak i badanej cząsteczki lub grup cząstek farmakodynamicznej. Na uwagę zasługuje fakt ko-
przeprowadza się ich wirtualne łączenie. Wśród oce- nieczności gromadzenia rozległych zbiorów informacji
nianych parametrów znajduje się prawdopodobień- chemicznej oraz związanych z tym efektywnych na-
stwo ułożenia ligandu w miejscu wiążącym, jak i siła rzędzi przeszukiwania baz danych i wnioskowanie na
wiązania. W trakcie badań należy pamiętać o tym, że podstawie uzyskanych rezultatów. Są to niekiedy bazy
wiązanie obu molekuł jest zależne od ich dynamicz- danych zawierające miliony rekordów, z których każdy
nej struktury chemicznej ale także, że samo wiązanie jest opisany wieloma tysiącami parametrów. System
spowoduje odkształcenie cząstek. Przeszukanie i oce- przeszukiwania takiego zbioru informacji musi być
na wszystkich możliwych układów jest  ze względu nie tylko efektywny, ale i szybki, oferując możliwość
na ich liczbę  praktycznie niemożliwe, dlatego wy- uzyskania rezultatów w czasie rzeczywistym. Całość
korzystuje się algorytmy półempiryczne. Jest to etap technik matematycznych, realizowanych w prakty-
prac nad wirtualnym lekiem, który w dużej mierze ce w warunkach in silico, a wykorzystywanych w tym
220 Tom 65 · nr 3 · 2009
I N F O R M AT Y K A W FA R M AC J I
właśnie celu określa się angielskojęzycznym mianem (tox) oraz wpływu organizmu na lek
data mining, co w wolnym przekładzie może znaczyć (wchłanianie, dystrybucja, metabolizm, Kolejnym argumentem
zgłębianie danych. wydalanie  ADME). Należy zaznaczyć, że przemawiającym za szeroką
Ze względu na bardzo duże zapotrzebowanie na poszczególne etapy są traktowane bar- i wciąż rosnącą gamą
komputerową moc obliczeniową wykorzystywaną przy dzo szeroko i tak wchłanianie obejmuje modeli realizowanych
projektach wirtualnego poszukiwania nowych struk- nie tylko podanie doustne, ale i na skó- w warunkach in silico, są
tur chemicznych, potencjalnych leków wykorzystuje się rę, wziewne czy doodbytnicze. Dystry- względy humanitarno-
zaawansowane techniki rozpraszania obliczeń na dużą bucja to także modelowanie przenikania etyczne wskazujące na
ilość stosunkowo słabych komputerów (tzw. gridy obli- przez barierę krew-mózg, a metabolizm konieczność uzyskania
czeniowe). Jednym z przykładów ciekawego rozwiązania obejmuje zarówno fazę I (najczęściej maksymalnej możliwej
jest wykorzystywanie wolnej mocy domowych kompu- przez cytochrom P450 w jelitach i wątro- redukcji doświadczeń
terów. Po zainstalowaniu niewielkiego programu, który bie), ale także fazę II (np. glukuronizacja przeprowadzanych
analizuje wykorzystanie naszego komputera osobiste- za pośrednictwem enzymów z rodziny na zwierzętach oraz
go i włącza własne, drobne fragmenty większych zadań UGT). Liczba i różnorodność wykorzy- optymalizacja koniecznych
obliczeniowych, po czym wysyła wyniki do komputera stywanych w licznych dostępnych pro- badań prowadzonych
centralnego, możemy pomóc projektować nowe leki prze- gramach komputerowych metod jest na ludziach (zdrowych
ciwnowotworowe (http://boinc.bakerlab.org/rosetta/ lub ogromna. Obejmuje zarówno metody ochotnikach oraz osobach
http://www.boincatpoland.org/). analizy strukturalnej (fragmenty czÄ…st- chorych, w warunkach
Choć mogłoby się wydawać, że lek z komputera to ki odpowiadające za jej charakter) jak klinicznych).
wciąż przyszłość jednak istnieją już dostępne na ryn- i algorytmy matematyczne, metody sta-
ku leki, podczas projektowania których wykorzysta- tystyczne czy też oparte na sztucznej in-
no techniki modelowania molekularnego. Najbardziej teligencji. Przykładem podobnego oprogramowania są
spektakularnym przykładem są blokery receptorów systemy ADME Boxes, ADMEnsa Interactive, q-Tox/q-
dla angiotensyny  sartany. ADME i wiele innych. Na szczególną uwagę i krótkie omó-
wienie zasługują metody przewidywania metabolizmu
Ocena właściwości biologicznych cząsteczek z udziałem cytochromów z rodziny P450. Pro-
gramy takie jak MetaSite czy MetaDrug oferują właśnie
Uzbrojeni w zdobyte do tej pory dane, możemy taką funkcjonalność, a dzięki zastosowanym algoryt-
przejść do kolejnego etapu badań nad naszym lekiem mom przewidują one nie tylko jakościowe (który enzym),
 oceny właściwości biologicznych. Najczęstszym do- ale i ilościowe (jakie powinowactwo) parametry metabo-
tychczas stosowanym modelem były oczywiście  wciąż lizmu danej substancji.
wykorzystywane  modele zwierzęce (myszy, szczu- Do kolejnego etapu naszego wirtualnego doświad-
ry, świnki morskie, króliki, psy, małpy). Niemniej jednak czenia przechodzimy z kilkoma najbardziej obiecują-
coraz wyraz
niej widać tendencję do minimalizowania cymi cząsteczkami, ponieważ pozostałe udało nam
wykorzystania zwierząt laboratoryjnych. Jest to po- się odrzucić na tym etapie  nie spełniały wymogów
dyktowane zarówno względami humanitarnymi, jak biologicznych. Jedna z nich  mamy nadzieję  zosta-
i praktycznymi  skalowanie allometryczne, a więc prze- nie pełnoprawnym lekiem, co pozwoli nam na odzy-
noszenie obserwacji ze zwierzÄ…t na ludzi jest zawsze skanie zainwestowanych do tej pory kwot.
obarczone błędem. Wynika to z innej fizjologii nawet
najbardziej zbliżonych genetycznie do człowieka ga- Słownik używanych pojęć
tunków zwierząt (np. szczury nie mają woreczka żół-
ciowego  wydzielanie żółci ma charakter ciągły, a nie Słownik stanowi integralną część całego cyklu
wzbudzany pokarmem, jak u człowieka). Oprócz tego i zawiera pojęcia, które w opinii autorów mogą oka-
postuluje się wykorzystywanie danych uzyskiwanych zać się przydatne w trakcie studiowania treści arty-
w trakcie doświadczeń na ludziach, izolowanych komór- kułów.
kach lub organellach komórkowych (np. HLM  Human In silico  czyli dosłownie w krzemie, a więc w do-
Liver Microsomes). Zastosowanie takiej metodyki jest myśle  wewnątrz krzemowej płytki procesora kom-
kosztowne i obarczone wymogiem spełnienia bardzo putera; pojęcie to  będące modnym słowem kluczem
wyśrubowanych wymogów związanych z projektowa-  oznacza w zasadzie wszystkie możliwe sytuacje na-
niem badań, choć dostarcza niezwykle dokładnych i re- śladowania rzeczywistości za pomocą modeli oblicze-
prezentatywnych danych. niowych realizowanych komputerowo (i oczywiście
Rozwiązaniem jest więc wykorzystanie modeli re- niekoniecznie dotyczy to jedynie farmacji!); sama na-
alizowanych w warunkach in silico. Na tym etapie ba- zwa jest nieco myląca, jako że  co podkreślają umiar-
dań kilkadziesiąt-kilkaset z tysięcy wcześniej badanych kowani zwolennicy podobnych metod  zdecydowaną
związków jest monitorowanych pod kątem właściwości większość podobnych kalkulacji można przeprowa-
biologicznych. Oznacza to w praktyce ocenę ADME/Tox, dzić na papierze, jedyną różnicą jest czas przeznaczo-
a więc przewidywanie zachowania leku w organizmie ny na realizację tychże zadań.
Tom 65 · nr 3 · 2009 221
In vitro  bezpośrednie tłumaczenie łacińskiego stosowanych modeli in vitro umożliwiających od-
wyrażenia w szkle może być nieco mylące dla szero- twarzanie i badanie funkcji metabolicznej wątroby
ko pojmowanych badań farmaceutycznych, ponie- w warunkach laboratoryjnych; obecnie wyniki ba-
waż postęp w preparatyce laboratoryjnej powoduje, dań z zastosowaniem HLM ze względu na oczywiste
że niekoniecznie musi to być szkło; w praktyce pojęcie różnice między wyizolowanymi komórkami oraz ca-
to oznacza odtwarzanie (naśladowanie) w warunkach łym narządem funkcjonującym w warunkach fizjolo-
laboratoryjnych reakcji biologicznych zachodzÄ…cych gicznych, sÄ… wykorzystywane jako dane startowe do
w żywych organizmach, a co warte podkreślenia obej- dalszego symulowania aktywności wątroby już w wa-
muje również doświadczenia z żywymi komórkami, runkach in silico.
wyizolowanymi z organizmu macierzystego (zwie- QSAR (ang. Quantitative structure-activity re-
rząt i ludzi) i umieszczonymi w warunkach laborato- lationship)  pojęcie obejmuje zakres technik sto-
ryjnych, umożliwiających podtrzymywanie ich życia; sowanych w trakcie poszukiwania korelacji między
przykładem podobnych komórek mogą być ludzkie strukturą chemiczną a zdefiniowanym procesem za-
mikrosomy (HLM); stało się to na tyle powszechne, chodzącym z jej udziałem (np. proces biologiczny lub
że określenie badania in vitro oznaczają prowadze- reakcja chemiczna); jedną z odmian jest 3D-QSAR,
nie badań na żywych, wyizolowanych z organizmu a więc ocena opisanej powyżej korelacji na podsta-
komórkach, organellach lub substancjach; rodzi to wie właściwości cząstki obliczonych z wykorzysta-
jednak kolejny problem, a mianowicie  tłumacze- niem jej struktury przestrzennej (trójwymiarowej);
nie (korelowanie) wyników badań in vitro z warun- liczba stosowanych technik obliczeniowych jest
kami in vivo. ogromna, warto również pamiętać, że bardzo często
In vivo  a więc wewnątrz funkcjonującego orga- wymagają one również specjalistycznego oprogra-
nizmu, obejmującego wszystkie tkanki i narządy skła- mowania z zaimplementowanymi algorytmami oraz
dające się na działającą w określonych warunkach potężnych mocy obliczeniowych, daleko wykracza-
środowiska jednostkę; pojęcie to obejmuje zarów- jących poza te oferowane przez klasyczne kompu-
no wyniki badań prowadzonych na ludziach (ochot- tery biurkowe.
nicy) jak i na modelach zwierzęcych (w naukach QSPR (ang. quantitative structure-property rela-
farmaceutycznych m.in. myszy, szczury, świnki mor- tionships)  techniki stosowane przy poszukiwaniu
skie, psy, małpy); wyniki uzyskiwane w warunkach korelacji między strukturą i właściwościami cząstek.
in vivo stanowiÄ… najcenniejsze z
ródło ADME lub LADME lub LADMET lub ADME/Tox
informacji na temat procesów biolo- lub LADME/Tox (ang. [Liberation], Absorption, Distri-
Ze względu na zakres gicznych, choć oczywiście możliwość bution, Metabolism, Excretion, [Toxicology])  akronim
możliwych oddziaływań ich uzyskiwania jest ograniczona ze obejmujący podstawowe etapy interakcji lek-organizm
leku na organizm, często względu na czynniki etyczne, finan- począwszy od uwalniania, poprzez wchłanianie, dys-
współwystępujących, sowe i praktyczne (np. realizacja bada- trybucję, metabolizm, wydalanie, aż do działania far-
klasyfikacje pozwalające na nia przenikalności bariery krew-mózg makologicznego/toksycznego na organizm; nazwa ta
zdefiniowanie mechanizmów w warunkach in vivo), stąd niekiedy stała się tak popularna, że określenie  modelowanie
działania muszą siłą rzeczy zastępowane przez badania określa- ADME oznacza bezpośrednio określenie dowolnych
mieć charakter ogólny. ne mianem ex vivo. modeli wykorzystywanych w celu opisania powyż-
Jedną z istniejących Ex vivo  a więc przeprowadzane szych zjawisk.
możliwości jest określenie poza organizmem, ale na materiale Sztuczne sieci neuronowe  narzędzia analizy da-
ich jako receptorowe pobranym z żywego, funkcjonującego nych wykorzystujące podstawowe mechanizmy ada-
oraz niereceptorowe. organu; przykładem podobnych ba- ptacyjne znane z neurobiologii do samouczenia na
W pierwszym przypadku dań jest ocena składu żółci (i jej wpły- dostępnych danych; z reguły mają nieliniowy charak-
modelowanie na ekranie wu na proces rozpuszczania leków ter i pozwalają na identyfikację skomplikowanych
monitora można rozpocząć w jelitach), pobranej przy użyciu en- i wielowymiarowych zależności w danych.
od odtworzenia struktury doskopu. Modelowanie mechanistyczne  określenie obej-
przestrzennej receptora, IVIVC  (ang. in vitro  in vivo cor- mujÄ…ce techniki modelowania matematycznego, dla
co jest realizowane przy relation)  niezwykle szerokie pojęcie którego punktem wyjścia jest zestaw założeń doty-
użyciu specjalistycznych oznaczające całość technik (matema- czących charakteru tworzonego modelu.
programów, pozwalających tycznych, statystycznych, obliczenio- ExPASy (ang. Expert Protein Analysis System) 
nie tylko zobrazować, wych) wykorzystywanych w trakcie system magazynowania oraz udostępniania struktur
ale także ocenić przenoszenia i wykorzystywania wy- białkowych możliwych do pobrania i dalszej anali-
prawdopodobieństwo ników badań in vitro na warunki in zy, rozprowadzanych w ogólnie przyjętym forma-
stabilności nawet bardzo vivo. cie komputerowym (pliki pdb); dodatkowo oferuje
dużych cząstek białkowych, HLM (ang. human liver micro- możliwość wizualizacji pobranej cząsteczki (http: //
jakimi są receptory. somes)  ludzkie komórki wątroby www.expasy.org- http: //swissmodel.expasy.org/re-
(mikrosomy) to jeden z najczęściej pository/).
222 Tom 65 · nr 3 · 2009
I N F O R M AT Y K A W FA R M AC J I
Grid computing  określenie obejmujące zarów- zytronowa tomografia emisyjna  PET
no sprzętową, jak i logiczną strukturę informatyczną, (ang. Positron Emission Tomography). Jednym z obowiązkowych
umożliwiającą zarządzanie obliczeniami rozproszony- 3Rs  ang. Replace, Reduce, Refi- kroków w trakcie
mi  zespół komputerów zlokalizowanych w różnych ne, co mogłoby być przetłumaczone opracowywania nowej,
miejscach pracujących nad jednym problemem obli- na język polski jako 3Z  Zastąpić, Zre- potencjalnej struktury
czeniowym dzięki zaawansowanym technologicznie dukować, Zdefiniować; określenie de- chemicznej jest
systemom rozpraszania obliczeń; struktury gridowe finiujące współczesne podejście do określenie jej właściwości
są niekiedy określane  nie do końca prawidłowo  problemu wykorzystywania zwierząt fizykochemicznych, które
jako wirtualne superkomputery do badań naukowych, którego celem warunkują losy badanej
Skalowanie allometryczne  całość technik jest właśnie redukcja ich liczby m.in. cząstki już po podaniu
matematycznych pozwalajÄ…cych na przeniesienie poprzez udoskonalenie i optymalizacjÄ™ w postaci leku. Podstawowe
rezultatów badań z jednego medium na inne z wy- procedur laboratoryjnych, jak i zastą- informacje obejmują masę
korzystaniem proporcjonalności w masie narządów pienie doświadczeń in vivo na zwierzę- molową, rozpuszczalność,
i/lub budowy ciała; technika ta jest też stosowana tach innymi technikami, pozwalającymi współczynnik podziału
do skalowania wyników badań uzyskanych z wyko- osiągnąć podobne rezultaty. n-oktanol/woda, stała
rzystaniem modeli zwierzęcych na analogiczne dane Farmakofor  model opisujący re- dysocjacji, PSA (ang. polar
możliwe do zaobserwowania u ludzi. lacje przestrzenne między elementa- surface area), liczba wiązań
NCE (ang. New Chemical Entity)  definicja po- mi wspólnymi dla ligandów wiążących będących donorami czy
dawana za firmą IMSHealth  pierwsze na świecie się lub inaczej oddziałujących na bada- też akceptorami atomów
wdrożenie nowej substancji aktywnej, włączając w to ny receptor. wodoru.
produkty biotechnologiczne (np. rekombinowane pro- Data mining (eksploracja danych,
teiny, szczepionki); z założenia definicja ta wyklucza zgłębianie danych)  zbiorcze określe-
radioterapeutyki, testy diagnostyczne, wyciÄ…gi ro- nie technik odkrywania wiedzy w bazach i hurtow-
ślinne, szczepionki złożone, przeciwciała poliklonal- niach danych; koncepcja eksploracji danych opiera
ne, w odróżnieniu od stosowanego przez FDA pojęcia się na wykorzystaniu statystycznych, empirycznych
NME (ang. New Molecular Entity), które oznacza każ- i półempirycznych metod wyszukiwania powiązań,
dy nowy produkt leczniczy wdrożony na rynek; pro- ukrytych dla człowieka między innymi ze względu
szę zwrócić uwagę, że definicje te nie dotyczą leków na ilość informacji.
generycznych.
R&D (ang. Research and Development, dosÅ‚ownie PrzyjÄ™to: 2009.01.18 · Zaakceptowano: 2009.01.25
 badania i rozwój)  ogólne określenie obejmujące
całość technik, metod, narzedzi i związanych z tym Piśmiennictwo
kosztów, systemów organizacji pracy i analizy wyni-
ków zaangażowany w proces poszukiwania i badania 1. Grabowski H.G., Wang Y.R.: The Quantity And Quality Of Worldwi-
de New Drug Introductions, 1982 2003. Health Affairs 2006, 25 (2),
cząstek o potencjalnej aktywności farmakologicznej;
452 460.
ogólnie  każdy proces badawczy, bez względu na typ
2. Grabowski H.G.: Are the Economics of Pharmaceutical R&D Chan-
ging? Productivity, Patents and Political Pressures. PharmacoEcono-
zaangażowanego przemysłu.
mics 2004, 22, Supp. 2, 15-24.
Microdosing  technika oznaczania profilu far-
3. DiMasi J.A., Hansen R.W., Grabowski H.G.: The price of innovation:
new estimates of drug development costs. Journal of Health Econo-
makokinetycznego leku w warunkach in vivo na
mics 2003, 22, 151 185.
ludziach, z zastosowaniem minimalnych dawek sub-
4. DiMasi J.A., Grabowski H.G.: The Cost of Biopharmaceutical R&D: Is
stancji aktywnej, nie wywołujących żadnego efektu
Biotech Different? Manage. Decis. Econ. 2007, 28, 469 479.
5. http: //www.nc3rs.org.uk/
farmakodynamicznego, a więc także niepożądanego;
6. OECD Health Policy Studies. Pharmaceutical Pricing Policies in a Glo-
w praktyce stosuje się jedną setną część najmniejszej
bal Market. OECD 2008-12-27
7. The 2007 R&D Scoreboard. Department for Innovation, Universities
dawki wywołującej efekt farmakodynamiczny lub
& Skills UK.
100 µg, w zależnoÅ›ci od tego, która z nich jest mniej-
8. Piotr Setny, Projektowanie leków, artykuł dostępny pod adresem
sza; ze względu na bardzo niskie stężenia oznacza- http: //www.icm.edu.pl/kdm/Projektowanie_leków
9. http: //www.pdb.org
nych substancji oraz ich metabolitów konieczne jest
10. http: //boinc.bakerlab.org/rosetta/
stosowanie niezwykle czułych metod analitycznych
11. http: //www.boincatpoland.org/
12. Cristina Dezi, Jose Brea, Mario Alvarado i wsp.: Multistructure
jak chromatografia cieczowa z podwójnym detek-
3D-QSAR Studies on a Series of Conformationally Constrained Bu-
torem masowym  LC-MS-MS, spektrometria mas
tyrophenones Docked into a New Homology Model of the 5-HT2A
 AMS (ang. Accelerated Mass Spectrometry) czy po- Receptor, J. Med. Chem. 2007, 50, 3242-3255.
Tom 65 · nr 3 · 2009 223